Durante una misión a Marte de la nave tripulada Ares III, una fuerte tormenta se desata, por lo que, tras haber dado por desaparecido y muerto al astronauta Mark Watney (Matt Damon), sus compañeros toman la decisión de irse; sin embargo, ha sobrevivido, pero está solo y sin apenas recursos en el planeta. Con muy pocos medios, deberá recurrir a sus conocimientos, su sentido del humor y un gran instinto de supervivencia para lograr sobrevivir y comunicar a la Tierra que todavía está vivo, esperando que acudan en su rescate.
La tripulación de la misión a Marte Ares III está explorando Acidalia Planitia en el día marciano o sol 18 de una misión de 31 soles. Una tormenta de polvo les obliga a abandonar la misión y regresar a la nave en órbita “Hermes”. Durante la evacuación, el astronauta Mark Watney es golpeado por una antena y se pierde en la tormenta; la telemetría de su traje indicó descompresión y pérdida de signos vitales antes de apagarse. Con los restantes miembros de la tripulación en peligro, la comandante Melissa Lewis da la orden de despegue del VAM (Vehículo de Ascensión de Marte) sin él.
Tras la tormenta, Watney es despertado por la alarma de bajo nivel de oxígeno de su traje y regresa al “Hab” (Hábitat), la base de operaciones de la tripulación en Marte. Se extrae una pieza de antena del abdomen, que había perforado su traje y destruido su biomonitor, lo que dio lecturas erróneas de sus signos vitales, e inicia un vídeo diario. Es consciente de que su única posibilidad de rescate es la llegada de la misión Ares IV al cráter Schiaparelli, a 3 200 kilómetros de distancia, dentro de cuatro años, y que va a necesitar sus conocimientos científicos para sobrevivir. Tras calcular que tiene comida para solo 300 soles (aproximadamente 309 días terrestres), Watney, ingeniero mecánico y botánico, improvisa un campo de cultivo, dentro del Hab con suelo marciano fertilizado con excrementos de la tripulación empaquetados al vacío, agua fabricada extrayendo hidrógeno de hidracina, un combustible de cohete sobrante, oxidándola mediante combustión, y patatas reservadas para una comida del Día de Acción de Gracias. También limpia los paneles solares del Hab y empieza a modificar el único rover funcional para hacer el largo viaje a través de Marte.
Al revisar fotos de satélite de Marte, siguiendo instrucciones de Vincent Kapoor, Director de la Misión, la especialista en satélites Mindy Park se da cuenta de que Watney ha sobrevivido. A pesar de las objeciones de Mitch Henderson, Director de Vuelo de la Hermes, el director de la NASA Teddy Sanders decide no informar a la tripulación, creyendo que les distraería de su misión.
Watney viaja con el rover para recuperar la sonda Pathfinder, con la que se perdieron las comunicaciones en 1997. Utilizando la cámara del módulo de descenso, establece una rudimentaria comunicación con el equipo del JPL. La NASA le envía instrucciones para modificar el rover y que, a través de la Pathfinder, puedan comunicarse por texto. Watney se enfada cuando le dicen que la tripulación no ha sido informada de su supervivencia, y Sanders autoriza a Henderson a informarles.
Considerando que el cultivo de patatas le permitiría sobrevivir hasta el sol 900, Henderson y Bruce Ng, Director del JPL, preparan un plan para enviar una sonda espacial a Marte con suministros para Watney, con suficiente comida hasta la llegada del Ares IV. Cuando un fallo en la esclusa del Hab provoca una descompresión explosiva, las plantas de Watney mueren y Sanders ordena acelerar los trabajos de la misión de suministro saltándose las inspecciones de seguridad. Infortunadamente, el lanzador con la sonda de suministro explota inmediatamente tras el despegue.
La Administración Espacial Nacional China ofrece a la NASA la Taiyang Shen, una lanzadera espacial secreta que podría llevar una carga a Marte. Mientras tanto, el físico astrodinámico del JPL Rich Purnell ha calculado una maniobra de asistencia gravitatoria para enviar a la Hermes de vuelta a Marte más rápidamente, utilizando la lanzadera china para abastecerla para su viaje adicional de 18 meses. Para ello, realiza una reunion secreta a la que llaman "Projecto Elrond", en dicha reunion les simplifica los detalles de la maniobra y Sanders rechaza el plan porque no quiere arriesgar las vidas de la tripulación, pero Henderson a escondidas envía los detalles a la Hermes. Lewis y su tripulación votan por unanimidad ejecutar el plan, y la NASA, imposibilitada para detenerles, acepta reabastecer a la Hermes mientras vuela alrededor de la Tierra, usando la gravedad para acelerar de vuelta hacia Marte.
Después de 461 soles, Watney inicia su viaje de 90 soles hacia el Crater Schiaparelli, donde el VAM de la misión Ares IV ya ha aterrizado. Para poder alcanzar a la Hermes a su paso sobre Marte, Watney tiene que hacer modificaciones drásticas en el VAM para reducir su masa, retirando equipo del interior, las ventanas, el morro y paneles exteriores; Watney llevará su traje espacial puesto y no tendrá acceso a controles, así que la nave deberá ser operada a distancia desde la Hermes; lo lanzan pero no alcanza ni la altura ni la velocidad planeadas. La Hermes utiliza sus cohetes de maniobra para cambiar de trayectoria y una descompresión de su propia atmósfera interna para frenar. Lewis utiliza una mochila propulsada mediante gas nitrógeno a presión para acercarse a la nave de Watney, pero no puede alcanzarlo. Watney pincha el guante de su traje y utiliza el chorro de aire que escapa como un cohete en miniatura para acercarse a Lewis. La tripulación se reúne y por todo el mundo multitudes celebran la noticia.
Después de volver a la Tierra, Watney inicia una nueva vida como instructor de supervivencia para los nuevos candidatos a astronautas. Cinco años después, con ocasión del lanzamiento de la misión Ares V, aquellos involucrados en el rescate de Watney han vuelto a sus vidas o iniciado nuevas actividades. Se puede ver que Martínez viaja como comandante de la "Ares V", Lewis abandona la NASA y se queda con su marido, al igual que Vogel, que vuelve a Alemania. Mitch Henderson se retira como director de vuelo de la NASA. Beck y Johansen acaban juntos y con un hijo en común.
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